四川盆地一次暴雨过程分析及数值模拟试验

该文利用NCEP1°×1°FNL再分析资料、地面及高空常规资料对四川盆地西部2010年8月18—19日一次暴雨天气过程进行了分析,结果表明,此次暴雨过程的大尺度环流背景为鞍型场,500~700 hPa低涡系统是此次暴雨的动力因子,低层辐合、高层辐散的配置促进了低涡的持续发展,700 hPa西南低空急流对水汽的输送起到了最主要的作用。利用NCEP 1°×1°FNL再分析资料驱动WRF3.5模式,采用23 km、5 km分辨率,使用3种不同的微物理方案对此次暴雨过程进行敏感性试验,模拟结果表明:选用不同的微物理方案可以不同程度地模拟出此次暴雨的分布范围和强度,对于同一种微物理方案,分辨率的提高可以提高模式模拟强降水中心的能力,从而为研究暴雨的中小尺度成因提供有效的参考。对3种不同方案模拟的物理量诊断分析则表明,不同微物理方案所模拟出的物理量有着明显的差异,因此也导致了降水预报的差异。     

一次突发性强降水过程成因分析

利用常规观测资料、自动站、卫星云图、雷达回波等资料对2006年6月18日龙岩强降水过程进行成因分析。结果表明:有利的大尺度环流、充足的水汽条件和较强的上升运动,同时低层有冷空气入侵激发此次强降水的产生。强降水是由有利的中尺度地形中局地发展起来的中小尺度系统产生的。新一代天气雷达资料分析表明,对流单体有明显的典型的液态强降水系统特征。雷达资料风场反演表明风速辐合、切变等小尺度系统是产生短时强降水的成因。     

山东连续两次强对流天气的环境条件和多普勒雷达特征

利用NCEP/NCAR再分析资料、多普勒雷达资料和探空资料等,对发生在山东境内的2次强对流天气过程的环境场条件及中小尺度系统的结构特征进行了分析。结果表明:高空冷涡与下滑冷槽、地面气旋造成了前后2次强对流天气。更强的超低温、高低空急流耦合作用、更明显的非均匀结构以及更好的水汽条件,构成过程Ⅱ更强的对流条件。2次过程高低空的温度平流配置与冰雹落区有很好的对应关系。过程Ⅰ对应低层高能区强于过程Ⅱ,过程Ⅱ高层漏斗状θse向下伸展度更大、低层等θse线更密集,导致强天气的发展更加剧烈。飑线初生发展阶段,属低质心系统;飑线成熟阶段,为高质心结构。超级单体和强对流单体均造成了降雹,但结构存在差异。     

鄂西北一次超级单体风暴的多普勒天气雷达观测分析

利用十堰多普勒天气雷达资料和高空地面观测资料对2013年5月23日凌晨发生在十堰地区的强超级单体风暴过程进行了详细的分析。干暖盖、强垂直风切变、高空辐散、低空辐合特征为超级单体的形成提供了良好的环境场;喇叭口地形、地形抬高冷池出流和雷暴出流与低层暖湿气流产生的扰动是超级单体爆发性增强的关键原因;多普勒天气雷达观测表现为典型钩状回波、低层有界弱回波区和"穹隆"、中气旋、回波墙等超级单体特征;4D-VAR风场反演结果表明超级单体内,上升气流从前端低层进入,然后倾斜上升,至高层后随高空风向外流出,下沉气流从云后中低层流出,这是成熟的超级单体所具有的典型流场结构;中层干冷气流夹卷使得雷暴群整体更有组织性并具有更长的生命史,有利于强灾害性天气的产生。     

贺州市一次致灾冰雹天气过程诊断分析

利用常规地面、高空观测资料和梧州S波段新一代天气雷达探测产品资料,对2012年4月12日夜间发生在贺州市的一次致灾冰雹天气过程的成因及雷达回波特征进行诊断分析,结果表明:在高空槽、低层切变线和地面冷空气共同影响的中小尺度天气环流背景下,配合高空干冷、低层暖湿的不稳定大气层结是这一次降雹天气过程产生的主要原因。此次降雹天气过程在多普勒雷达回波图上呈现出典型的超级单体风暴特征。     

同化常规资料对重庆地区一次大暴雨过程的数值模拟研究

利用常规观测资料以及小时观测降水量资料,对2014年8月31日—9月2日重庆地区一次大暴雨过程进行分析,在此基础上采用中尺度数值模式WRF及其三维变分同化系统WRF 3D-Var将常规探空观测资料同化进NECP/NCAR再分析资料产生初始场,对比分析同化与未同化常规探空资料的模式模拟的降水量分布特征及同化探空观测资料对模式模拟的中尺度系统结构特征的影响。结果表明,此次暴雨的发生是在对流层高层200 hPa南亚高压与高空急流造成的高层辐散、500 hPa大槽靠近以及副热带高压西移这种有利的大尺度环流背景下,对流层低层的西南低涡、切变线、低空急流在重庆地区发生发展的结果。对比分析模式的模拟结果,两次模拟都较好地再现了此次暴雨过程的大尺度环流特征,同化探空观测资料后模拟的降水落区分布及量级得到改善,对暴雨以上量级的降水改进尤为明显。模式初始时刻分析场的增量表明,与此次暴雨过程的形成发展密切相关的大尺度系统(南亚高压、副热带高压)、中尺度系统(低涡、急流)以及水汽输送在初始场同化常规探空资料后均得到了增强,这为对流系统的发展维持提供了更加有利的条件。降水最强时刻强降水区域的垂直结构分析显示,在同化探空观测资料后,模式模拟的散度、涡度、垂直速度以及大气热力结构的强度和高度较未同化探空资料的结果都得到了不同程度的增强,这表明同化探空观测资料改进了模式初始场的分布特征,进而对模式模拟的中尺度对流系统的结构产生重要影响。     

一次强风暴三维结构的观测分析

2003年6月28日山东德州发生了一次降雹持续时间长、危害严重的强降雹天气过程。利用MICAPS、探空、NCEP资料,分析了降雹前的天气形势、能量场特征、含水量场。根据两部多普勒天气雷达资料,分析了雹云的演变过程及流场结构。研究表明,降雹前在降雹区上空西边低层存在高能舌,在中高层西边存在负能量平流或负能量平流中心。此次超级单体风暴过程由单个单体发展而来,具有强超级单体风暴的典型特征。该超级单体的移动方向在盛行风向右侧约20°左右,属于右移风暴。     

利用相控阵及双偏振雷达对2016年6月3日华南一次强对流过程的分析

本文结合X波段相控阵雷达(XPAR)和S波段双偏振天气雷达(SPOL)及地面和探空观测资料,分析了2016年6月3日发生在华南的一次超级单体中小尺度特征,结果表明：(1)SPOL的多普勒参量和双偏振参量可以观测到超级单体的强度、速度和相态分布,超级单体的入流和出流影响钩状回波的形成。(2)XPAR可以获取时空分辨率远高于SPOL的观测资料,可以弥补SPOL仰角层严重不足的缺陷,观测到超级单体完整的垂直结构,可更精确地描述超级单体的短时演变。(3)超级单体钩状回波附近给地面带来了降温、大风和强降水,超级单体经过地区均有明显降温和风区。研究结果证明相控阵雷达和双偏振雷达对认识对流单体中小尺度系统的发展演变有较大帮助。     

昌吉地区一次春季强寒潮天气分析及数值模拟

基于常规天气观测资料和美国FNL1°×1°逐6 h再分析资料,对2014年4月23—24日昌吉地区一次寒潮天气过程进行分析和总结,并利用WRF3.7(The Weather Research and Forecasting Model)中尺度数值模式对10 m风场和地形作用进行分析,结果表明:(1)这次寒潮天气过程出现在欧洲高压脊东南衰退、西西伯利亚低槽东南下进入新疆爆发的大尺度环流背景下。(2)这次强寒潮过程的高位涡强冷空气来自欧亚北部和北极地区的平流层下部和对流层上部。(3)低层强西北风急流向山脉辐合,造成暖湿气流在天山迎风坡强烈爬升,是暴雪发生的触发机制。通过地形敏感性试验表明天山地形的抬升作用减弱所引起的降水变小。     

三次非超级单体龙卷风暴多普勒雷达特征对比分析

利用济南和烟台多普勒天气雷达资料,结合环境物理量和天气实况,对发生在山东境内的3次非超级单体龙卷风暴进行了分析。结果表明,三次龙卷过程发生在利于雷暴产生的环境形势下。低层湿度大,低层明显的垂直风切变和有利的地形是三次非超级单体龙卷发生的有利条件。三次龙卷都发生在风暴单体发展阶段,风暴顶高和强中心高度在1个体扫时间内迅速增高。上升气流的加强和复杂的地形是诱发小尺度强切变的主因。风暴单体的迅速发展,需要强的上升气流配合,上升气流将水平方向的旋转切变抬升为垂直方向,在复杂地形作用下可产生局部小尺度涡旋运动,诱发小尺度范围的强切变,从而导致龙卷发生。     

三次非超级单体龙卷风暴多普勒雷达特征对比分析北大核心CSCD

利用济南和烟台多普勒天气雷达资料,结合环境物理量和天气实况,对发生在山东境内的3次非超级单体龙卷风暴进行了分析。结果表明,三次龙卷过程发生在利于雷暴产生的环境形势下。低层湿度大,低层明显的垂直风切变和有利的地形是三次非超级单体龙卷发生的有利条件。三次龙卷都发生在风暴单体发展阶段,风暴顶高和强中心高度在1个体扫时间内迅速增高。上升气流的加强和复杂的地形是诱发小尺度强切变的主因。风暴单体的迅速发展,需要强的上升气流配合,上升气流将水平方向的旋转切变抬升为垂直方向,在复杂地形作用下可产生局部小尺度涡旋运动,诱发小尺度范围的强切变,从而导致龙卷发生。     

一次引发黑龙江省大风与强降水的β中尺度系统物理机制与特征分析

利用常规气象观测资料、区域自动站加密观测资料、T639和FY-2卫星云图、新一代天气雷达及NECP的1°×1°再分析资料,对2014年7月5日由β中尺度系统引发的黑龙江省中部地区一次疑似龙卷和局地性强降水天气过程的环境背景、强对流在卫星云图和雷达上的发生发展过程及其物理机制、中尺度特征等进行了分析。结果表明:在高空冷涡和地面低压共同作用下,中层弱冷空气与低层强暖空气汇合,形成条件不稳定,低空急流的低层强辐合为β中尺度系统的生成提供了有利的中尺度环境场;低层的强垂直风切变使强对流环境条件进一步增强,导致多个超级单体形成和发展。对流云团发展初期强度迅速增强,在成熟阶段前期以大风天气为主,超级单体的位置出现在成熟对流云团内部上冲云顶附近;当β中尺度演变为α中尺度时,云团强度减弱,强天气过程基本结束。在雷达回波上可清晰的看到3个超级单体的生消过程,中气旋和穹窿等特征回波明显且维持时间较长,垂直风廓线和径向速度表现了风暴的垂直气流特征,较强的降水回波移至朗乡地区后强度和位置的变化极缓慢,是造成该地区持续强降水的主要原因。     

风廓线雷达资料质量控制及其同化应用

为更好地同化风廓线雷达观测资料开展了相应的质量控制与同化应用研究。针对2013年5月广东地区13部风廓线雷达的观测数据,采用经验正交函数(EOF) 分析方法对其进行质量控制。相比原始观测,经过质量控制的风场提高(降低)了来自时空大(小)尺度的贡献,较好地滤除了小尺度高频脉动,也较好地保留了大尺度平均状态与局地中小尺度系统的共同影响,并且更加接近ECMWF再分析场。此外,还对质量控制后的数据进行了垂直稀疏化。分别计算了质量控制前、后风廓线雷达观测与NCEP 6 h预报场的差值,对比差值的特征发现,经过质量控制的数据的观测增量更好地满足了高斯分布与无偏假设。针对一个实际天气个例,基于GRAPES 3D-Var同化系统,分析了质量控制后的风廓线雷达资料对模式分析与预报的影响。试验表明,在循环同化过程中加入风廓线雷达资料可以更好地描述模式初始场低层风场的特征,从而对强降水的位置与强度做出更好的预报。针对2013年5月的批量试验表明,同化风廓线雷达资料使短期降水预报有明显的改善。     

青藏高原东北部一次罕见强对流天气的中小尺度系统特征分析

2016年8月17-18日青藏高原东北部出现了罕见的大冰雹、短时暴雨、雷暴大风等强对流天气。运用常规观测资料、NCEP再分析资料、葵花静止气象卫星、多普勒天气雷达等观测资料分析了此次强对流过程的大气环境场和中小尺度对流系统的发生发展和对流传播机制。结果表明:西太平洋副热带高压北抬明显,属于低层暖平流强迫型。水汽输送主要来自南海。维持较长时间的弱冷锋是强对流的地面触发机制;对流云团逐渐演变为MCC,对流传播整体具有沿着河谷往层结不稳定区的正向和往低层入流风的反向传播的特征。河谷地形是影响对流移动和传播路径的关键;强对流风暴单体生命史均较长,强降雹单体为类超级单体和普通多单体,强降水回波属于多单体线状对流。降雹单体整体比降水单体发展得更强,变化幅度更大,尤其是垂直累积液态水含量的变化更剧烈。强对流开始前单体垂直累积液态水含量均是先增后降;几处局地雷暴大风是由雷暴云团内弱降水在较厚的环境干层蒸发而显著降温所产生的较大负浮力或由线状对流中强降水拖曳导致的强下沉辐散气流造成,雷达回波具有质心急剧下降或中层径向速度辐合特征。     

不同初始场及其扰动对WRF 模拟暴雨的影响

使用ERA-interim和FNL再分析资料分别驱动WRF,对2013年7月12—13日的一次暴雨过程进行数值模拟,详细比较了WRF模拟结果之间的差异。结果表明:(1)两种资料在次天气尺度上存在着较大差异,并由此造成了模拟结果之间的差异,ERA-interim作为初始场对降水的模拟优于FNL资料,反映了WRF对初、边界条件的敏感性;(2)从区域总降水量来看,湿度场扰动对降水量的影响最大,其次是风场扰动和温度场扰动,最小的是侧边界扰动;(3)从降水误差来看,湿度场扰动引起的降水误差最大,在积分20 h内风场扰动的降水误差大于温度场,积分21~24 h则相反,侧边界扰动引起的降水误差在前期比较小且增长缓慢,积分一段时间之后与单个气象要素扰动引起的降水误差相当。     

春季一次超级单体过程的成因分析

利用常规观测资料、卫星资料以及多普勒天气雷达资料,分析了2016年4月27日午后发生在鄂西北的一次超级单体风暴过程。结果表明:高空冷槽、上干冷下暖湿、强垂直风切变等提供了良好的环境条件;汉江河谷喇叭口地形、湖陆风环流、中尺度地面辐合线以及低层暖湿气流产生的扰动与雷暴出流导致超级单体强烈增强;多普勒天气雷达特征表现为中气旋、低层有界弱回波区、典型钩状回波等超级单体特征,同时出现了三体散射、旁瓣回波等大冰雹特征;强的垂直风切变使得雷暴更有组织性并具有更长的生命史,有利于强对流天气的产生。     

江苏沿江地区一次强冰雹天气的中尺度特征分析

利用常规气象资料、卫星、多普勒天气雷达、风廓线雷达等资料,对发生在江苏沿江地区一次强冰雹天气形势背景、环境热动力条件、强冰雹发生前地区环境场变化、超级单体雷达回波中尺度特征等进行了详细分析。结果表明:(1)在东北冷涡槽后干冷气流影响下,中高层干冷、低层暖湿的不稳定层结,高低空急流以及地面辐合系统的配置为此次强对流天气的产生提供了有利热动力条件;高CAPE值、逆温层、低层适当水汽条件及较强的深层垂直风切变有利于强冰雹天气的发生。(2)利用多普勒天气雷达、风廓线仪数据反演垂直分布的物理量场(平均散度、平均垂直速度、相对风暴螺旋度、垂直风切变)能够反映本站上空环境场的快速变化情况:强对流系统移入本站前雷达站上空逐渐调整为低层辐合、中高层辐散的风场配置结构,螺旋度和垂直风切变数值逐渐增加,表明环境场有利于强对流系统的维持发展。(3)强降雹超级单体除具有三体散射现象、入流缺口等雷达回波中尺度特征外,持久深厚的中气旋存在造成了显著的有界弱回波区和高悬垂强回波区。应用双多普勒雷达风场反演技术揭示了超级单体内部环流结构:低层气旋性旋转,中层旋转加强,高层风场辐散。超级单体内部涡旋特征的出现和维持有利于支撑空中大冰雹的增长。     

2013年3月20日广东东莞罕见龙卷冰雹特征及成因分析

利用常规观测、NCEP/NCAR再分析、多普勒天气雷达及自动气象站资料等,对2013年3月20日发生在东莞的一次罕见龙卷、冰雹等致灾性强对流天气过程进行分析。结果表明：1）龙卷过境时的单站气压、温度、风向风速与雷雨大风过境时明显不同,前者具有较典型的龙卷特征。2）华南地区高低空强的风随高度增大的垂直变化、上干下湿的位势不稳定层结以及低层高湿、增温为对流天气发展提供了有利的环境条件,冷空气南压和近地面边界层中小尺度辐合系统为其提供了触发机制。3）中等强度的对流有效位能（CAPE）、强的0-6 km深层垂直风切变以及较强的0-1 km低层垂直风切变为龙卷产生提供了可能性。4）龙卷、冰雹强对流风暴的发展加强与近地面边界层中小尺度辐合系统加强有密切关系。5）同时出现冰雹、大风、龙卷时,最强回波为72 dBz;龙卷出现在超级单体的钩状回波附近,更靠近后侧V形缺口;多时次观测到三体散射（TBSS）回波,与降雹对应;反射率垂直剖面图上可见明显的低层弱回波区、中高层回波悬垂,有界弱回波区（BWER）先于龙卷20多分钟出现。径向速度图上,龙卷出现时超级单体风暴同时具有龙卷涡旋特征（TVS）和中气旋特征。     

海南一次超级单体引发的强烈龙卷过程观测分析

利用常规高空地面观测、海南省区域加密自动站、海口多普勒雷达、海口风廓线雷达以及风云2G高分辨可见光云图资料对2016年6月5日海南省文昌市一次EF2级龙卷过程进行分析。结果表明:(1)这次龙卷过程发生在副热带高压边缘、500 hPa槽前、850 hPa切变线和地面热低压的南侧,是由超级单体引发的;由于海陆风效应而显著增大的0~2 km垂直风切变,较低的抬升凝结高度,随着白天地面太阳辐射加热迅速增大的CAPE值为超级单体风暴的生成提供了有利的环境条件。(2)超级单体是在东移飑线的东侧,由β中尺度海风锋辐合线和雷暴外流边界触发并加强的,沿着海风锋辐合切变线自东向西传播,与风暴承载层平均风向相反,即后向传播;超级单体具有勾状回波、中高层回波悬垂、中气旋和类似龙卷式涡旋特征(TVS)的小尺度强切变等特征,中层中气旋向低层延伸加强期间龙卷漏斗云生成、触地,小尺度强切变自中层同时向上、向下发展时龙卷达到最强;龙卷发生在勾状回波低层反射率因子最大梯度区域靠近弱回波区域一侧,也是小尺度强切变(类TVS)所在位置;(3)海风锋辐合线与超级单体的下沉气流外流边界合并,形成位于超级单体南侧的阵风锋,从而形成由东指向西的水平涡管,该水平涡管在钩状回波旁的弱回波区被上升气流扭曲拉伸,形成低层中气旋,超级单体南侧的阵风锋与东移的飑线阵风锋相遇而加强的地面辐合,有助于低层中气旋获得拉伸旋转加速而形成龙卷。     

利用WRF-3DVAR同化常规观测资料对近地层风速预报的改进试验

利用WRF 3DVAR同化系统和Evenson提出的方法在分析时刻添加扰动形成扰动型初始场,并在此基础上同化常规观测资料(包括固定站点的探空观测和常规地面观测),通过比较WRF3DVAR系统对整层大气的初始(分析)场及预报场的改进,检验了同化常规观测资料后WRF模式对研究区域内近地层风速的预报效果。结果表明,同化常规观测资料对初始场有改进,且对低层大气风场和温度场的改进较FNL资料明显;GFS同化常规观测资料后生成的初始场和FNL资料提供的初始场对风速和温度的预报在不同气压层存在不同的预报时效,低层(1000 hPa)风速和温度预报在前36 h改善明显,而在较高的500 hPa和200 hPa上风速预报在前36 h改进明显,温度预报则只在前12 h得到了改善;无论是采用FNL资料还是同化常规观测资料作为初始场,对近地层风速预报均在前36 h有改进,表明对于近地面风速这种短时间内变化较大的变量,同化与之时间和空间上较为接近的资料可能改善其预报效果。